光電式自動日照計常見問題分析及處理方法研究

趙國強 魏雅鵬 李礫

摘 要 本文以DFC3光電式自動日照計為例詳細介紹了光電式自動日照計的結(jié)構(gòu)和原理，并結(jié)合實際安裝、調(diào)試及運行過程發(fā)現(xiàn)的一些問題。通過對相關(guān)問題的分析提出了相應的解決方法。為日照實現(xiàn)自動化觀測打下了堅實的基礎。

關(guān)鍵詞 光電式自動日照計;相關(guān)問題分析;解決方法

引言

日照時數(shù)是氣象學和氣候?qū)W研究的重要參數(shù)，是地面氣象臺站最基本，也是最重要的觀測項目之一。日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達到或超過120瓦/平方米（W/㎡）的各段時間總和，以小時（h）為單位，取一位小數(shù)[1]。日照時數(shù)資料的主要用途是表征當?shù)氐臍夂蚝兔枋鲞^去的天氣狀況。

目前，測量日照的方法有直接輻射測量法、總輻射測量法、燒痕測量法、對比測量法、掃描測量法等。常用的測量儀器有直接輻射表、總輻射表、散射輻射表、聚焦式日照計、雙金屬片式日照計、暗桶式日照計、光電式自動日照計等[2-4]。近年來，各種氣象儀器廠商相繼開發(fā)研制了不同型號的自動日照計，袁春生[5]對光電型數(shù)字日照計進行了詳細的研究，奠定了自動日照計投入運行的基礎。代中華等人[6]對光熱型電測日照計測量方式進行了仿真研究。呂文華等人[7]對三種不同型號的日照計存在的誤差等進行詳細的研究，證實了國產(chǎn)自動日照計可以滿足目前日照觀測的自動化和準確性的要求。上述文獻主要研究了暗筒式日照計的性能誤差，對光熱型電測日照計做了初步研究試驗，分析了日照計的發(fā)展趨勢，研究指出，未來日照時間觀測儀器將朝著觀測自動、精度高、維護方便的方向發(fā)展。目前，我國大部分氣象臺站都已經(jīng)開始陸續(xù)安裝光電式自動日照計，但是對于試運行階段出現(xiàn)的一些問題，并沒有系統(tǒng)的解決方法，因此本文在前人研究成果的基礎上，并結(jié)合實際運行時所發(fā)現(xiàn)的問題，提出了相應的解決方法。本文以中環(huán)天儀生產(chǎn)的DFC3光電式自動日照計為例，詳細介紹了幾個常見問題的處理方法。

1光電式自動日照計結(jié)構(gòu)與原理

DFC3型光電式數(shù)字日照計由硬件與軟件兩大部分組成，硬件包括光電式數(shù)字日照傳感器、供電機箱、立柱及調(diào)整座、線纜及附件，軟件是指嵌入式軟件。

1.1 自動日照時數(shù)觀測系統(tǒng)

光電式數(shù)字日照傳感器由光電感應器件、數(shù)據(jù)處理模塊、通信接口、外置電源接口、加熱模塊等組成。自動日照計既可以與微機終端連接組成日照時數(shù)觀測系統(tǒng)，也可以作為日照時數(shù)傳感器掛接在其他采集系統(tǒng)上，原理如圖1所示，其軟件可完成日照數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和發(fā)送等。

1.2 光電式自動日照傳感器

光電式數(shù)字日照傳感器共有3個光電感應器件，3個光電感應器件以同軸形式放置于光筒內(nèi)，如圖2所示，其中一個用于測量總輻射，另外兩個由于遮光罩特殊的全分天空方式，不同時暴露于陽光下，用于測量散射輻射，輸出電壓信號。數(shù)據(jù)處理模塊由硬件和嵌入式軟件組成，其中硬件包括微處理器、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲器、時鐘和監(jiān)控電路等，通過嵌入式軟件完成對光電感應器件輸出信號的采集、處理、存儲和傳輸工作。

2常見問題及解決方法

2.1 地面終端ISOS軟件接收不到數(shù)據(jù)的處理方法

DFC3型光電式數(shù)字日照計在安裝完成后，經(jīng)常會出現(xiàn)地面終端ISOS軟件接收不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，為解決這一問題，經(jīng)過研究總結(jié)出以下幾種解決方法：①檢查ISOS軟件日照的串口號及串口參數(shù)是否正確。②檢查日照計的數(shù)據(jù)傳輸握手機制方式、日期、時間是否設置正確。若不正確，請設置為被動讀取方式和正確的北京時間③檢查日照計的航空插頭是否松動、接觸不良。若松動，請將航空插頭重新插接緊固。④檢查供電機箱是否供電正常。機箱內(nèi)部的空氣開關(guān)接外部220V交流電，交流電通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為12V直流電，直流電再經(jīng)過導軌保險和導軌刀閘接到接線端子供日照傳感器使用。用萬用表逐級測量電壓是否正常，判斷故障發(fā)生位置。若保險絲斷，請更換新保險絲，若接線松動，請重新接線并緊固。⑤檢查從日照傳感器到業(yè)務電腦的信號線、通訊線是否連接正常。若不正常，請重新接線并緊固（通訊線的接線順序為三上黃線，三下路還有黑線GND;信號線的接線順序為一上紅棕，四上為灰，五上為藍一下為黃最后屏蔽入接地;以上順序均為從左至右）。⑥若上述均沒有問題，利用串口調(diào)試助手，通過黃色信號線的RS232直接向日照傳感器發(fā)送相關(guān)命令，查看日照傳感器有無響應。若有，說明日照傳感器正常;如無，說明日照傳感器故障。

2.2 日照數(shù)據(jù)誤差偏大的解決方法

地面終端ISOS軟件在接收到日照數(shù)據(jù)后，可能會發(fā)現(xiàn)自動日照計采集的日照時數(shù)和人工觀測到的日照時數(shù)存在著很大原因，在排除傳感器硬件故障的情況，通?？赡苁怯捎谝韵履骋环矫娴脑蛟斐傻模孩俨Ａд钟形酃?。若有，請用軟布及時清理。②日照計安裝位置周圍是否有障礙物、反射面或者明顯的污染源。若有，請將日照計遠離上述干擾。③日照傳感器頭部是否指向北，傾斜角度是否與當?shù)鼐暥戎狄恢?。若不一致，可以輕微扭動緯度調(diào)節(jié)旋鈕，讓其所指示的緯度保持和當?shù)氐木暥戎迪胍恢隆＂苋照沼嫿?jīng)緯度參數(shù)是否與安裝地經(jīng)緯度一致。若不一致，請用LAT和LONG命令對日照計經(jīng)緯度參數(shù)進行重新設置。

3對于時差問題的解決方法

3.1 由時差原因所引起的問題

由于目前現(xiàn)行的地面綜合觀測軟件（ISOS）和日照計內(nèi)部的采集器再算法的設置存在著一定的差異，從而導致兩端的時差存在著一定的誤差（誤差值或正或負）。因為這一誤差的存在，部分氣象臺站在安裝自動日照計以后，會出現(xiàn)采集不到數(shù)據(jù)，或者在晚上編發(fā)日照報文時，沒有自動日照日合計值的情況。但是經(jīng)過調(diào)試測試顯示，如果保證ISOS端和日照計采集器端的時差一致，這種情況就會得以解決。

3.2 時差一致性的解決方法

兩個地區(qū)地方時之間的差別稱作為時差。以甘肅隴南文縣國家氣象觀測站為例（該地的經(jīng)度東經(jīng)104°4000”）在實際地面氣象觀測中，會發(fā)現(xiàn)地面綜合觀測軟件ISOS相對北京時的時差為-62分鐘，而自動日照計采集器相對于北京時的時差為-61分鐘。所以自動日照計相對于地面綜合觀測軟件ISOS存在著1分鐘的時差。由此造成該站在安裝了自動日照計之后，在晚上編發(fā)日照報文時，沒有自動日照日合計值的情況。為了解決這一問題，對日照計采集器內(nèi)部的經(jīng)度做了一個微調(diào)，即調(diào)整為104°3700”，此時自動日照計采集器相對于北京時的時差為-62分鐘，保持了與地面綜合觀測軟件ISOS時差相一致。在當日晚上編發(fā)日照報文時，自動日照日合計值顯示合適正常。

由此可見，當出現(xiàn)由于時差問題所引起的上述情況時，只需要對日照計采集器內(nèi)部的經(jīng)度設置做一微調(diào)即可解決。具體調(diào)整方法是遵循“正小負大”的原則，即日照計時差減去地面綜合觀測軟件ISOS為正值時，經(jīng)度適當比原值調(diào)小，反之亦然。

4結(jié)論與分析

本文通過對自動日照計原理的介紹以及一些常規(guī)、常見問題的梳理與分析，對所提及的問題做了比較完善的解決。著重完成了一下兩個方面的內(nèi)容：

（1）對地面氣象觀測臺站新安裝的日照計日常維護及常見問題提出了可行的解決方案;

（2）針對地面綜合觀測軟件ISOS與日照計采集器時差不一致、不匹配的問題，指出了原因之所在，并且給出了合適合理的處理方法。

參考文獻

[1] GUIDEW.Guide to meteorological instruments and methods of observation[Z].Book Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation.Genf，Schweiz：Secretariat of the WMO，2006.

[2] 呂文華，賀曉雷，于賀軍，等.全自動太陽跟蹤器的研制和應用[J].光學精密工程，2008，16（12）：2544-2550.

[3] 趙世軍，劉西川，高太長.日照計發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].氣象水文海洋儀器，2011，28（02）：96-99.

[4] 趙世軍，劉西川，高太長，等.直接輻射式日照計業(yè)務應用關(guān)鍵技術(shù)分析[J].大氣與環(huán)境光學學報，2011，6（06）：457-462.

[5] 袁春生.光電型數(shù)字日照計技術(shù)的研究[D].長春：長春理工大學，2016.

[6] 代中華，趙世軍，高太長，等.光熱型電測日照計測量仿真研究[J].傳感技術(shù)學報，2015，28（06）：803-808.

[7] 呂文華，崇偉，丁蕾.光電式自動日照計性能比對試驗與分析[J].電子測量與儀器學報，2015，29（06）：928-933.